Características y causas de los nanomateriales; potencial de aplicación de los nanomateriales.
Ding Fuquan
Prefacio
1. La nanotecnología y los conceptos básicos de la nanotecnología
En segundo lugar, el desarrollo de la nanotecnología Diez años.
Tercero, "nano-calor"
Cuarto, la aplicación de la nanotecnología
Verbo (abreviatura de verbo) Conclusión
Referencia
Nanotecnología: uno de los tres mosqueteros del siglo XXI
Prefacio
La era en la que la humanidad se está transformando de la economía industrial a la economía del conocimiento es el siglo XX. y A principios del siglo XXI. Por lo tanto, el siglo XX es un siglo de economía industrial altamente desarrollada y el siglo XXI es un siglo de auge de la economía del conocimiento. Las características básicas de la economía del conocimiento indican que la economía humana e incluso toda la sociedad humana experimentarán muchos cambios profundos en el siglo XXI. La sostenibilidad del desarrollo económico empujará a la humanidad hacia una nueva era de civilización. El conocimiento humano no es simplemente el conocimiento de "reordenar" materiales para que estén plenamente desarrollados. La reorganización del conocimiento del "espíritu humanista" conducirá también a un mayor desarrollo.
Hoy en día, la ola de desarrollo de la nanotecnología está aumentando en todo el mundo. Esta es otra manifestación del progreso científico humano, otra oportunidad para desarrollar una nueva economía y otra gran oportunidad para que los seres humanos creen milagros científicos y tecnológicos. Por ello, las fuerzas científicas y tecnológicas de varios países se han reunido en este campo de batalla para el desarrollo de la nanotecnología. Alineaos, tomad vuestras posiciones y luchad en este campo de batalla. Algunas personas dicen que se trata de una batalla feroz y sin humo y una competencia mundial en el campo de la alta tecnología. Su contenido científico y tecnológico y su grado de brillantez superarán cualquier logro científico y tecnológico humano.
1. Nanotecnología y conceptos básicos de la nanotecnología
“Nano” es la traducción del inglés namómetro. Otra palabra para "nano" proviene de la palabra latina "nano", que significa "corto". Nano es una unidad de medida y también una unidad de longitud. Las sustancias construidas a partir de nanomateriales son sustancias microscópicas invisibles e intangibles.
1 nm, es decir, 1 nm = 10-9 m, que es una milmillonésima parte de un metro, tiene aproximadamente la longitud de 45 átomos encadenados, o 1 nm equivale aproximadamente al diámetro de 4 átomos. Si comparas 1 ma 1 nm, es equivalente al tamaño de la Tierra en comparación con una canica de vidrio. El diámetro de un cabello humano es de aproximadamente 80 μm (micra), que son 80.000 nm. Si el tamaño de escritura de un carácter chino es de 10 nm, entonces se pueden escribir 8.000 palabras en el diámetro de un cabello, lo que equivale a la capacidad de un artículo científico largo.
La llamada nanotecnología es una nueva disciplina que estudia sustancias o estructuras en una escala de 1 a 100 nm. Se refiere a la manipulación directa y reordenamiento de átomos, moléculas o grupos de átomos o grupos de moléculas según. a la voluntad humana. Ciencia y tecnología que forma nuevas sustancias o estructuras a nanoescala y estudia sus propiedades para crear dispositivos, máquinas y otras aplicaciones con nuevas funciones.
Se puede observar que la tarea principal de la nanotecnología es preparar nanomateriales o estructuras a nanoescala a través de diversos medios, como tecnología de micromecanizado, tecnología de sonda de escaneo, etc. En segundo lugar, utilizar una variedad de tecnologías e instrumentos avanzados de observación y medición para estudiar las características de los nanomateriales o estructuras a nanoescala y, finalmente, llevar a cabo aplicaciones relevantes basadas en sus propiedades especiales. Por tanto, hasta cierto punto, los nanomateriales, la tecnología de nanofabricación y la tecnología de caracterización de mediciones nanométricas constituyen tres tecnologías de apoyo muy importantes para el desarrollo de la nanotecnología. Los campos del desarrollo de la nanotecnología incluyen principalmente: física de nanosistemas, química de nanosistemas, nanomateriales, nanoelectrónica, nanofotónica, nanomecánica, nanofabricación, medición de nanocaracterización, nanomedicina, etc.
En segundo lugar, diez años de desarrollo de la nanotecnología
La búsqueda de la novedad y el progreso es la fuerza impulsora de la civilización humana. La nanotecnología se convirtió en una disciplina independiente en los años 1990. La primera Conferencia Internacional de Nanotecnología (Nano I) se celebró en Baltimore, EE.UU., en 1990-65438, y se creó una institución permanente: el Comité Asesor, del cual China es uno de sus miembros. El comité dividió el alcance de la investigación de la nanotecnología en seis partes.
Clasificación de las Nanociencias
Nanoelectrónica
Nanofísica
Nanoquímica
Nanobiología
Nano máquinas
Nanomedición
65438 La Segunda Conferencia Internacional sobre Nanotecnología (Nanoⅱ) se celebró en Moscú en agosto de 1993 (Nanoⅳ) se celebró en Beijing en 1996. En 2000, se celebró en Alemania la sexta Conferencia Internacional de Nanotecnología (Nano ⅵ).
En tercer lugar, "Nanoheat"
La nanoelectrónica desempeña un papel destacado en la nanotecnología porque es la dirección de desarrollo de la próxima generación de microelectrónica. En la actualidad, la industria líder en los países desarrollados es la industria electrónica basada en la microelectrónica, no la del acero, los materiales, la energía, los productos químicos y el transporte. En la actualidad, los gobiernos y las empresas de todos los países desarrollados están invirtiendo fuertemente en la investigación y el desarrollo de la nanotecnología, tratando de alcanzar las alturas tecnológicas estratégicas del siglo XXI. En junio de 2000, el presidente estadounidense Clinton dijo en un discurso en el Instituto de Tecnología de California: "Manipularemos la materia a nivel atómico y molecular. Imaginemos la posibilidad de un material que sea 10 veces más resistente que el acero, pero que pese menos. Una sexta parte del tamaño de un acero; comprime toda la información de la Biblioteca del Congreso en un dispositivo del tamaño de un terrón de azúcar; y puede detectar tumores cuando sólo tienen unas pocas células de tamaño."
2001 1 18. China estableció el Comité Directivo y de Coordinación de Nanotecnología de China para formular planes para el desarrollo de la nanotecnología de China. Actualmente, el país ha planeado inicialmente establecer dos centros de RD (bases de innovación en nanotecnología) en Beijing y Shanghai.
En la actualidad, las principales tareas para el desarrollo de la nanotecnología en nuestro país son: ① Fortalecer la investigación básica y el trabajo básico en la vanguardia de la nanotecnología (ii) Avance en una serie de tecnologías clave para el desarrollo de la nanotecnología; nanotecnología; ③ desarrollar aplicaciones de nanomateriales y dispositivos y cultivar industrias relacionadas; ④ construir una infraestructura nacional de nanotecnología y una base de investigación y desarrollo; ⑤ establecer un equipo central de nanotecnología;
En 1996, el Ministerio alemán de Ciencia y Tecnología predijo que el mercado de la nanotecnología en 2010 alcanzaría los 144 mil millones de dólares.
En cuarto lugar, la aplicación de la nanotecnología
Nanomateriales
1. Definición de nanomateriales y nanoestructuras
Nanomateriales en sentido amplio Se refiere a materiales con al menos una dimensión en el espacio tridimensional dentro del rango de nanoescala (1 ~ 100 mm) o materiales compuestos de ellos como unidades básicas. La nanoestructura se refiere a un sistema unidimensional, bidimensional o tridimensional construido o ensamblado a partir de unidades básicas a nanoescala de acuerdo con ciertas reglas.
Los nanomateriales y las nanoestructuras son los objetos de investigación más dinámicos en el campo de los nuevos materiales y tienen un impacto muy importante en el desarrollo económico y social futuro. También son los campos más activos y cercanos para las aplicaciones de la nanotecnología.
2. Características de los nanomateriales
(1) Efectos de superficie y de interfaz
Esto se refiere a la relación entre el número de átomos en la superficie de las partículas nanocristalinas y el número total de átomos Cambios en las propiedades causados por un fuerte aumento en el tamaño de las partículas a medida que disminuye. Por ejemplo, cuando el tamaño de partícula es de 10 nm, la partícula contiene 4000 átomos y los átomos de la superficie representan 40; cuando el tamaño de partícula es de 1 nm, la partícula contiene 30 átomos y los átomos de la superficie representan 99; La razón principal es que el diámetro disminuye y el número de átomos en la superficie aumenta. Para otro ejemplo, cuando los diámetros de partícula son 10 nm y 5 nm, las áreas superficiales específicas son 90 m2/g y 180 m2/g respectivamente. Con una superficie específica tan alta, se producirán algunos fenómenos muy extraños, como nanopartículas metálicas que se queman en el aire, nanopartículas inorgánicas que adsorben gas, etc.
(2) Efecto de tamaño pequeño
Cuando el tamaño de la nanopartícula es igual o menor que la longitud de onda de la onda luminosa, la longitud de onda de De Broglie del electrón conductor, la coherencia longitud y profundidad de transmisión del estado superconductor, sus límites periódicos se destruyen, provocando que sus propiedades de sonido, luz, electricidad, magnetismo y termodinámica presenten fenómenos "novedosos". Por ejemplo, cuando las partículas de cobre alcanzan un tamaño nanométrico, se vuelven no conductoras; las partículas aislantes de sílice comienzan a conducir electricidad a 20 nanómetros. Otro ejemplo, las herramientas hechas de materiales poliméricos y nanomateriales son más duras que los productos de diamante.
Utilizando estas características, la energía solar se puede convertir en energía térmica y eléctrica con alta eficiencia, que se puede utilizar en componentes sensibles al infrarrojo, tecnología furtiva de infrarrojos, etc.
(3) Efecto del tamaño cuántico
Cuando el tamaño de la partícula alcanza el nivel nanométrico, el nivel de energía del electrón cerca del nivel de Fermi se divide en tres niveles de energía mediante el estado continuo. Cuando el espaciamiento de los niveles de energía es mayor que la energía térmica, la energía magnética, la energía electrostática, la energía magnetostática, la energía de los fotones o la energía de condensación del estado superconductor, aparecerán efectos cuánticos de los nanomateriales, haciendo que sus propiedades magnéticas, ópticas, acústicas, térmicas, eléctricas y Se producen cambios en las propiedades superconductoras. Por ejemplo, existe un tipo de nanopartícula metálica que tiene una capacidad muy fuerte para absorber la luz. Si se pone una milésima de esta partícula en 1,1365 kg de agua, el agua se volvería completamente opaca.
(4) Efecto túnel cuántico macroscópico
La capacidad de las partículas microscópicas para atravesar barreras potenciales se denomina efecto túnel. La magnetización de las nanopartículas también tiene un efecto túnel y pueden cambiar a través de la barrera potencial del sistema macroscópico. Esto se llama efecto túnel cuántico macroscópico de las nanopartículas.
3. Aplicación de nanomateriales
Los nanomateriales tienen muchas propiedades excelentes y pueden usarse ampliamente en dispositivos optoelectrónicos, sensores sensibles, tecnología sigilosa, catálisis, almacenamiento de información y otros campos. Incluyendo la construcción, la industria química, la textil, la automoción y la protección del medio ambiente. Por ejemplo, las nanocerámicas tienen las características de superplasticidad, resistencia a altas temperaturas, buena resistencia al desgaste, alta dureza y buena transmisión de luz. Pueden usarse como "materiales" para fabricar huesos artificiales, cerámicas, cuchillos, rodamientos cerámicos, sismómetros piezoeléctricos. naves espaciales, etc. El casco" se puede convertir en una "copa de vino irrompible" o un "cuenco irrompible". El nanoplástico es un nuevo tipo de plástico de alta resistencia y que no envejece. Su dureza es de 4 a 6 veces más fuerte que la del acero al carbono y su gravedad específica es solo 1/4 de la del acero, por lo que tiene buena transmisión de luz y es estable. Si un coche está hecho de nanoplástico, su peso es sólo 1/4 del de un coche hecho de acero. También existen los llamados nanometales, vidrio microporoso, nanodiamantes, materiales nanomagnéticos, nanocompuestos, materiales nanosuperconductores, etc.
(2) Nanocomputadora
La computadora es un gran invento de la humanidad en el siglo XX. Debido al surgimiento de los nanomateriales y la nanotecnología, la nueva generación de computadoras ensambladas a partir de nanomateriales, respaldadas por tecnología de nanoestructuras, será una de las invenciones científicas y tecnológicas más importantes del siglo XXI.
El componente central de una nanocomputadora es un nanochip. Existen los llamados chips de proteínas y chips de ADN. Este chip de proteína es de tamaño pequeño y tiene una alta densidad de componentes. En realidad, se mide que hay de 1015 a 1016 chips por centímetro cuadrado, lo que es de 3 a 5 órdenes de magnitud mayor que los circuitos integrados de silicio, y la capacidad de almacenamiento puede alcanzar 10 mil millones de veces la de las computadoras comunes. Los chips de ADN, también conocidos como chips genéticos, pueden acomodar mil millones de bits en un chip de 1 milímetro cúbico y pueden funcionar a una velocidad de 10 picosegundos (una centésima de segundo), que es casi 10.000 veces más rápido que las computadoras existentes. La actualización continua de los chips de computadora hará que las computadoras sean más inteligentes, aumentará la velocidad de Internet y promoverá en gran medida el desarrollo del comercio electrónico, la televisión de alta definición y las comunicaciones inalámbricas.
Con el apoyo de nuevos nanochips, las nanocomputadoras incluyen las llamadas computadoras superconductoras, computadoras químicas, computadoras ópticas y computadoras biológicas (las computadoras de ADN son muy rápidas y la cantidad de cálculos en unos pocos días equivale a la del mundo La cantidad total de cálculos desde la llegada de todas las computadoras), computadoras cuánticas (cuyos componentes básicos son átomos y moléculas), computadoras neuronales (que usan muchos microprocesadores para imitar la estructura neuronal del cerebro humano y usan un gran número de redes distribuidas en paralelo para formar computadoras neuronales, también conocidas como cerebros artificiales).
(3) Nanoarmas
Las aplicaciones militares de la nanotecnología se concentran principalmente en dos categorías: sistemas de nanoinformación y sistemas de nanoataque.
Nano sistema de información se refiere al sistema de transmisión, almacenamiento, procesamiento y detección de información con la nanotecnología como núcleo. Los principales productos desarrollados actualmente son:
1. Micro avión espía. Mide sólo 15 cm de largo, puede volar durante al menos una hora y puede volar una distancia de más de diez kilómetros. El reconocimiento, la recopilación de información de inteligencia y la actuación como centinela al acecho pueden ser tan grandes como una abeja en el futuro.
2. Avión de bolsillo con control remoto. Se trata de un dispositivo volador controlado a distancia, más pequeño que un naipe. El avión está equipado con sensores ultrasensibles que no sólo pueden oler los gases de escape diésel sino que también toman fotografías infrarrojas claras por la noche.
Puede transmitir la información de inteligencia más reciente a una base a 200 kilómetros de distancia.
3. "Hierba espía". De hecho, es una red distribuida de microsensores en el campo de batalla que parece hierba y está equipada con sensores, cámaras e instrumentos de reconocimiento electrónico sensibles.
4. Nanosatélites. Como componentes a bordo se utilizan componentes de detección inercial, transductores, componentes de radiofrecuencia, componentes ópticos, sistemas de energía y diversos núcleos de sensores fabricados con tecnologías microelectromecánicas y nanoelectrónicas, lo que puede reducir en gran medida el tamaño y el peso de los satélites. Peso inferior a 100 g. La esencia de un nanosatélite es un sistema de estructuras de satélites distribuidos que están organizados en grupos locales o constelaciones distribuidas. Este sistema distribuido puede evitar el daño causado por la falla de un solo satélite y mejorar la capacidad de supervivencia y flexibilidad del sistema espacial. Estos satélites pueden lanzarse cientos o incluso miles a la vez utilizando pequeños vehículos de lanzamiento.
5. Identificación de alto rendimiento de amigo o enemigo.
6. Sensor de alarma de agente de guerra química tóxica.
Sistema de nanoataque. Se trata de un arma de ataque inteligente en miniatura fabricada con nanotecnología. También existen los llamados sistemas de desactivación electrónica microrrobóticos, plataformas para insectos, "hormigas soldados", "bichos robóticos", misiles "mosquitos" y bombas con "punta de aguja" (cuyo tamaño es sólo 1/5000 de una aguja). consejo).
Estas microarmas se utilizan ampliamente en combate y reemplazarán o derrotarán a sistemas de armas pesadas que alguna vez fueron formidables. El llamado pez pequeño se come al pez grande.
Estos micro guerreros se clasifican según armas y servicios, incluyendo los llamados micro ejército, micro fuerza aérea, micro marina (nano torpedos, nano minas, nano misiles, nano bombas, nano radar, submarinos profundos). -armas de detección de buceo, lanchas rápidas de reconocimiento de superficie no tripuladas, microsubmarinos de reconocimiento, etc.) y fuerzas microespaciales. Las nanoarmas tienen las ventajas obvias de la ultraminiaturización y la inteligencia, por lo que atacar el sistema nervioso del enemigo debe ser la primera opción para las nanoarmas. El enorme poder de guerra irradiado por las nanoarmas "paraliza repentinamente" el sistema de macrocombate del enemigo, de modo que tiene que sucumbir a la presión de guerra ejercida por las microarmas.
¿Cómo será la guerra en el siglo XXI? ¿Qué pasará con el campo de batalla? ¿Cómo prepararse para la guerra? Esta es una cuestión importante relacionada con las estrategias nacionales generales y las estrategias de desarrollo de la defensa nacional de varios países. Por lo tanto, la predicción científica de posibles guerras y patrones de campo de batalla en el siglo XXI se ha convertido en una forma importante para que los países de todo el mundo busquen la seguridad nacional. La base principal para la predicción antes del aprendizaje es el rápido desarrollo de la tecnología microelectrónica actual.
La competencia estratégica en el futuro será la competencia entre la tecnología de hardware y la tecnología de software.
Nanoindustrialización
Uso de la nanotecnología para construir máquinas - micromecánica. Aunque este tipo de micromecánica es extremadamente pequeña, es "completa". Tiene un cerebro (computadora y controlador), manos y pies (sensores y actuadores) y una fuente de energía. Es el producto de la síntesis o fusión de diversas tecnologías como la mecánica, la electricidad, el magnetismo, la óptica, la química, las computadoras, el control automático, la tecnología de detección y el procesamiento de información.
Por ejemplo, cosechar cultivos con miles de robots diminutos y simples que son muy baratos es como un enjambre de langostas cosechando un cultivo más rápido que usar una cosechadora grande.
Después de romper el cable subterráneo, miles de micro robots se arrastran a lo largo del cable. Cuando suben al extremo roto, levantan sus patas delanteras y las colocan en el extremo delantero. De esta manera, los microrobots se vuelven Conecte el cable, permanezca siempre en el cable.
Nano agricultura
(6) Nano sistema de atención médica
La aplicación de la nanotecnología logrará avances en muchos campos médicos, como el genoma, la clonación de animales y células artificiales, órganos artificiales, creando vida y venciendo el cáncer.
(7) Nueva industria de servicios.
En el siglo XXI, con el desarrollo y la popularización de la nanotecnología, nacerá una nueva industria de servicios de nanoproductos. Traerá un nuevo espacio de vida y trabajo para la humanidad.
1. Películas de nanomundos más emocionantes
El nanomundo, al igual que el macromundo y el mesomundo, tiene diversas actividades materiales microscópicas. Además, los tipos y contenidos de las actividades son más coloridos. Es posible que la gente quiera ver un documental sobre el "duelo" entre gérmenes y robots moleculares que los matan. Se pueden insertar innumerables cámaras moleculares en los vasos sanguíneos para transmitir en vivo o filmar.
Es más realista que un cómic biónico humano generado por computadora.
El uso de esta forma de nanopelícula también puede ayudar a las personas a diagnosticar enfermedades y observar el tratamiento de los pacientes.
2. Nano TV
265438 En el siglo XX, dentro de 10 años, habrá una pantalla LCD de gran tamaño hecha de nanomateriales finos como el papel. Este tipo de televisor tiene alta definición, no emite radiación y tiene un bajo consumo de energía. Su material de visualización está compuesto de materiales especiales a nanoescala. Y todos los aparatos eléctricos del televisor utilizan nanocomponentes.
3. Nano materiales de noticias
4. Hermosa música natural
Hay muchos sonidos y melodías hermosos en la naturaleza, como el canto de los pájaros, el rugido de las cascadas; , el río ruge, etc. En el diminuto mundo nano también hay hermosas melodías musicales cuando se mueven las moléculas y los átomos de diversas sustancias.
5. Publicación de Nanodisc
Un disco óptico de 3 pulgadas puede almacenar decenas de billones de caracteres. Si se utilizan nanotubos de carbono biológicos, la capacidad de almacenamiento será mayor, alcanzando 1T (billón) de caracteres, lo que equivale a 65.438.100 millones de libros.
6. La nanociencia en la restauración
Verbo (abreviatura de verbo) Conclusión
La nanotecnología es un arma de doble filo.
Existe un tipo de nanomaterial que, por su pequeño tamaño, queda suspendido en el espacio o en líquido debido al movimiento browniano a temperatura y presión normales, lo que es el llamado comportamiento flotante. Por lo tanto, al utilizar este material, se debe prestar especial atención a esta propiedad flotante, de lo contrario provocará contaminación y daños al medio ambiente y al cuerpo humano. Dado que los nanomateriales son muy pequeños y pueden ingresar fácilmente al cuerpo humano a través de varios canales, como el sistema respiratorio, los rasgos faciales e incluso los folículos pilosos y los poros de la piel, son una contaminación más dañina que el polvo en el aire, por lo que No podemos tomárnoslo a la ligera, de lo contrario tendremos desastres naturales más graves que el cáncer, el SIDA, la enfermedad de las vacas locas, etc., que son más dañinos para la humanidad. Por supuesto, existen otros peligros potenciales. ¿Qué debo hacer si el nanobot se olvida de dejar de replicarse? Sin una señal de alto interna, lo más probable es que ocurra un desastre. Los nanobots que se replican rápidamente pueden propagarse por el cuerpo más rápido que las células cancerosas, desplazar el tejido normal y más.
Sin embargo, no podemos dejar de comer por atragantamiento. Si bien los expertos en nanotecnología no descartan estos peligros, todos creen que pueden afrontarlos.
La nanotecnología traerá un futuro infinitamente brillante a la humanidad.
Haz el examen y aporta tu fuerza
1. La exploración de la nanotecnología. Prensa de la Universidad Tsinghua de Beijing 2002.
2. Entra en el nanomundo. Guangdong: Prensa Económica, 2001.
3. Nanotecnología y sus aplicaciones. Beijing: Prensa Popular de Correos y Telecomunicaciones, 2002.
4. Nanotecnología y nanoarmas. Editorial Militar Wenyi, 2001
5 Li Fengsheng et al. Tecnología y aplicaciones de nano/microcompuestos. Beijing: Prensa de la Industria de Defensa Nacional, 2002.
6. Zhang Yulong et al., "Nanotecnología y Nanoplásticos". Beijing: Prensa de la industria ligera de China, 2001.